INTRODUCTION A LA PHYSIQUE QUANTIQUE 23 janvier, 2008
Posté par anaphorenantes dans : Non classé , trackbackAhmed Hadj Henni
INTRODUCTION SUCCINTE
La théorie quantique est utilsée par les physiciens pour rendre compte des phénomènes qui ont cours à l’échelle microscopique des particules.
Depuis sa création, dans les années 1920, la physique quantique a été brillamment confirmée par les prévisions des phénomènes atomiques, moléculaires, nucléaires, optiques, par la physique du solide et la physique des particules élémentaires. Malgré ces succès, le caractèrc étrange et insolite de la physique quantique a conduit certains chercheurs, dont Einstein, à penser que la description des systèmes physiques est incomplète et que la théorie elle-même est encore inachevée. De récentes expériences (A. Aspect) infirment cette hypothèse: nous vivons bel et bien dans un « monde quantique » dont la réalité paradoxale défie le sens commun.
Pourquoi le mot « quantique »?
La physique quantique signifie littéralement « physique des quanta » (= pluriel latin de « quantum » qui signifie quantité).
Ce nouveau mot apparaît dans le registre de la physique le 14 décembre 1900 grâce à un mémoire révolutionnaire lu devant l’Académie des sciences de Prusse par l’Allemand Max Planck. Ce dernier postule l’idée originale selon laquelle les échanges d’énergie entre la lumière et la matière ne peuvent se faire que par paquets discontinus, que l’on appellera les quanta. Il renonce ainsi à la loi sacrée de la continuité, pilier de la physique classique.
La lumière photonique et quantique
Après Max Planck, cette notion radicalement nouvelle de « lumière quantique » sera reprise en 1905 par Albert Einstein qui soutiendra que l’énergie de la lumière est en quelque sorte « granuleuse ». Ce « grain d’énergie » sera appelé photon en 1926. Une nouvelle particule est née, particule immatérielle et sans masse.
Chaque photon d’un rayonnement (lumière, ondes radios, rayons X … ) est porteur d’un quantum d’énergie caractéristique de sa fréquence (fréquence de la lumière = couleur).
La physique quantique va donc associer une onde et une particule. Cette association se généralisera d’ailleurs à toute particule, et notamment l’électron.
Mais commcnt concilier du continu (ondes) avec du discontinu (particules)? C’est tout le paradoxe de la dualité onde-corpuscule
LA DUALITE ONDE-CORPUSCULE
La remise en cause la plus importante à laquelle oblige la physique quantique concerne la manière de représenter les objets physiques et leurs propriétés. L’ancienne physique, dite classique, distingue deux sortes d’entités fondamentales:
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-les corpuscules, qui sont des sortes de billes microscopiques
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-les ondes, qui se propagent dans l’espace un peu comme le mouvement d’une vague sur la mer.
La physique quantique ne retient pas cette classification pourtant bien commode. Les objets qu’elle considère ne sont ni des corpuscules, ni des ondes, mais « autre chose ».
Par exemple, le photon (unité fondamentale de la lumière) se comporte soit comme une particule, soit comme une onde. Mesure-t-on une propriété corpusculaire? Le photon se comporte comme une particule. Mesure-t-on une propriété ondulatoire? Il se comporte alors comme une onde. Le caractère corpusculaire ou ondulatoire du photon reste indéterminé jusqu’à ce que le dispositif expérimental soit défini.
Aidons-nous de l’analogie suivante:
Regardé sous deux angles différents, un cylindre nous apparaît tantôt comme un cercle, tantôt comme un rectangle. Pourtant il n’est ni l’un ni l’autre.
Ainsi en est-il du photon, de l’électron ou de toute particule élémentaire dont l’image corpusculaire ne serait qu’une facette d’une entité plus complexe.
Questions:
Ce point précis peut poser un problème philosophique très troublant: La réalité objective (s’il elle existe indépendemment de l’esprit humain) est-elle accessible? Ou sommes-nous condamner à n’observer qu’un monde d’apparences trompeuses?
Revenons à notre atome; la physique quantique va rendre le modèle de Bohr (basé sur le modèle des planètes) caduque et le remplacer par un modèle plus flou … plus difficile à se représenter.
En effet, nous avons vu que l’électron quantique est un agent double victime de la dualité onde-corpuscule. L’onde associée à l’électron correspond en fait à une probabilité de trouver ledit électron quantique en un endroit donné.
La particule n’est plus un point matériel classique mais un paquet d’ondes probabilistes, une superposition de mouvements potentiels. Les orbites électroniques doivent faire place à la notion d’orbitales, sorte de sphères floues et probabilistes, dans lesquelles l’électron serait en quelque sorte dilué tout autour du noyau.
Ce n’est que lorsque les physiciens interagissent avec l’atome pour observer l’électron, que ce dernier leur apparaît comme une particule: C’est comme si le nuage électronique ondulatoire
se réduisait soudain en une particule bien matérielle. S’il fallait risquer une image pour illustrer ce curieux phénomène, on pourrait imaginer l’électron comme un sous-marin qui émerge, le temps d’une mesure de son océan probabiliste. Plus tard, il y replongera et il sera impossible à un observateur de surface de le localiser avec précision: on ne pourra plus que définir le volume de l’océan où le sous-marin peut probablement se trouver.
Ce nouveau modèle de nuages électroniques obéit à un principe clé de la physique quantique:
Le principe d’indétermination d’Heisenberg.
LE PRINCIPE D’INCERTITIUDE D’HEISENBERG
Outre le fait que le physicien allemand Werner Heisenberg est le père de cette loi (parfois aussi nommée principe d’incertitude), que nous dit ce principe? qu’il est impossible de déterminer avec précision et simultanément la position et la vitesse d’une particule comme l’électron. La notion de trajectoire exacte n’a pas de sens pour les particules. Ce paradoxe quantique (encore un!) est lié à la difficulté d’observer un électron …
Comment observer un électron?
On ne peut observer quelque chose qu’en l’éclairant avec de la lumière. Or à l’échelle de l’infiniment petit, cela pose un problème tout à fait nouveau. Le moindre photon qui percute ou interagit avec un électron va modifier la trajectoire initiale de ce dernier ou le faire changer d’orbitale. A cette échelle, le photon devient un projectile qui pourra déterminer la position de l’électron, mais qui aura en même temps modifié sa vitesse et sa trajectoire; celle ci ne pourra donc pas être connue en même temps. La moindre mesure interfère avec l’objet de la mesure … et la change!
Osons une nouvelle image pour illustrer ce principe: La nuit au fond des bois, un amoureux de la nature entend le hululement d’un hibou. S’il veut, en même temps, voir le volatile, il devra braquer sur lui une lampe torche: Il est à parier que le hibou, ébloui, arrêtera son chant. D’où le dilemne insoluble: On ne peut pas à la fois entendre et voir le hibou … Hélas !
Nous n’insisterons jamais assez sur le fait que cette incertitude est inhérente aux lois de la nature. Il ne s’agit pas simplement d’une imprécision des dispositifs de mesure du laboratoire.
Questions: Le principe de causalité de la physique classique (déterministe), tombe du coup en désuétude dans le monde quantique. On ne peut que supposer divers scénarii pondérés par une probabilité donnée. Quid du hasard objectif?
LA NON-SEPARABILITE QUANTIQUE
La non-séparabilité encore appelé effet EPR (pour Einstein Podolski Rosen) est un phénomène quantique qui heurte le sens commun. SI ce phénomène est désormais solidement établi sur le plan expériemental (notamment par l’équipe française d’Alain Aspect en 1983), ses conséquences demeurent obscures. La non-séparabilité remet en cause l’idée de localité des objets, qui semble pourtant aller de soi. Expliquons nous:
Imaginons deux particules qui interagissent puis s’éloignent l’un de l’autre: Ces deux particules jumelles sont dites corrélée, comme par exemple deux photons émis par un même atome excité.
Ces deux photons, comme tous les photons, sont dotés d’une propriété particulière, la polarisation, qui est définie comme la direction du champ électrique qui leur est associé:
Deux photons corrélés auront donc une mesure de polarisation de + 1 pour l’un et obligatoirement de – 1 pour l’autre.
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-Selon l’interprétation classique, chaque photon a conservé sa polarisation après leur séparation: l’un est polarisé +1 et l’autre -l, bien avant que l’observateur n’effectue de mesure. Les deux photons constituent deux systèmes séparés et sont totalement indépendants l’un de l’autre.
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Selon l’interprétation Quantique, tant que personne n’a effectué de mesure, la polarisation de chaque photon reste indeterminée. Le même principe s’applique à la position indéterminée de l’électron autour du noyau atomique avant mesure. Ce n’est donc qu’au moment où la mesure est faite sur un photon que l’autre acquiert ses caractéristiques: si la polarisation d’un photon est + 1, l’autre devient -1 et vice-versa. Les deux particules forment un ensemble inséparable, même si elles sont infiniment éloignées …
Les expériences d’Alain Aspect en 1983 tranchent nettement en faveur de l’interprétation quantique. Cela a des conséquences révolutionnaires sur notre vision du monde:
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-Deux particules corrélées forment un tout quelque soit leur distance de séparation
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-La connaissance de l’une influe sur l’autre instantanément, sans transmission d’information résultant d’une action physique.
Pour illustrer cet effet EPR, citons Etienne Klein qui est physicien au CEA et enseignant à l’Ecole Centrale. Il y voit l’assise théorique du romantisme:
Deux coeurs qui ont interagi dans le passé ne peuvent plus être considérés de la même manière que s’ils ne s’étaient jamais rencontrés. Marqués à jamais par leur rencontre, ils forment un tout inséparable.
Questions:
-L’interprétation de la non-séparabiIité est très délicate pour le moment ct les hypothèses les plus folles ont été émises par les physiciens:
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La première particule mesurée remonte-t-elle le temps pour prévenir sa jumelle de l’état qu’elle doit adopter?
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-Existe-t-il une sorte de télépathie instantanée entre particules?
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-y a-t-il une « totalité indivisible » de l’Univers?
LA SUPERPOSITION DES ETATS QUANTIQUES
Un concept de base de la physique quantique est le principe de superposition: à partir de deux états quantiques quelconques, on obtient d’autres états par superpositons. Physiquement l’opération consiste à former un nouvel état qui combine les états précédents.
L’autrichien Erwin Schrödinger (1887-1961) est l’un des pères de la physique quantique. Mais Schrödinger deviendra surtout célèbre pour avoir imaginé en 1935 le paradoxe du chat afin d’illustrer ce concept de superposition quantiques.
Le paradoxe du chat
Imaginons le dispositif suivant:
Un pauvre chat est enfermé dans une boîte pourvue d’un hublot.
Dans un coin de la boîte, un atome d’uranium radioactif et un détecteur conçu pour ne fonctionner qu’une minute (par exemple). Pendant cette minute. il ya 50% de chance pour que l’atome U se désintègre en éjectant un électron; lequel électron ira frapper le détecteur; lequel détecteur actionnera alors un marteau qui brisera une fiole de poison mortel placée dans la boîte du pauvre matou … Fermons la boîte , déclenchons l’expérience et demandonsnous AVANT de regarder par le hublot si le chat est vivant ou mort … Evident me direz-vous, il a 50% de chance d’être vivant et autant d’être mort.
Eh bien figurez-vous que la physique quantique a un doute: elle vous dira que le chat,
AVANT observation, est vivant ET mort à la fois! Absurde! Et pourquoi!? L’état (vivant ou mort) du chat ne dépend en fait que de l’état (émission d’un électron ou non) de l’atome d’Uranium. Or la physique quantique affirme que l’atome U est un être quantique auquel est applicable le principe de superposition: les particules atomiques peuvent exister dans plusieurs états superposés et simultanés.
Par exemple, nous avons vu que l’électron, étant donné sa nature ondulatoire, peut être localisé tout autour du noyau d’un atome; il est présent simultanément à plusieurs endroits, et cela AVANT qu’il ne se soit observé.
De même, un atome radioactif d’uranium peut exister dans deux états superposés: intact et désintégré.
Cet état de superposition cesse immédiatement dès qu’il y a observation, et donc interaction, de la particule; on dit alors qu’il ya décohérence lorsqu’un système A et B devient un système A ou B.
On comprend mieux dès lors le paradoxe du chat: L’état « superposé » de l’atome U devrait se transmettre à notre félin macroscopique et le transformer en un horrible mort-vivant! Evidemment, lorsque l’on observe le chat à travers le hublot, il y aurait décohérence de son état et choix d’un seul état.
Une telle explication n’est bien sûr que difficilement acceptable pour notre monde macroscopique et elle montre les difficultés d’interprétation que soulève le formalisme mathématique quantique (car ces états superposés sont faciles à concevoir lorsque ces systèmes sont définis par des fonctions d’onde; les ondes s’additionnent sans problèmes).
Comment dès lors expliquer que le principe de superposition ne s’applique pas à notre monde humain?
La superposition d’état concerne en fait des particules totalement isolées. A l’echelle quantique, les particules évoluent dans un grand vide et les rencontres sont assez rares. A notre échelle, c’est très différent: notre chat respire les milliards de molécules d’air qui sont dans la boîte, sans compter tout ce qui innonde notre univers: les ondes radio, infrarouges ou les rayons cosmiques … Ces milliards d’êtres quantiques incontrôlables percutent notre matou et interagissent des milliards de fois par seconde avec lui. L’état superposé « vivant ET mort » dans lequel se trouve le chat ressemble à une bulle de savon: une bulle est éphémère et est détruite à la moindre interaction. La décoherence des objets macroscopiques est quasi-immédiate. Ouf! notre logique a eu chaud …
Il faut d’ailleurs signaler une retentissante expérience réalisée en 1996 par les français JeanMichel Raimond, Serge Haroche et Michel Brune: Une expérience de physique très complexe qui a permis de confirmer le phénomène de décohérence, et qui a permis de « voir » le glissement progressif du « ET » quantique au « OU » classique.
Le chat, la conscience et les univers parallèles ?
Le paradoxe du chat de Schrödinger a déchainé les passions parmi les physiciens. Car il pose un vrai problème, celui de la mesure en physique quantique.
En gros, est-ce la mesure ou l’observation qui décide vraiment si le chat est mort ou vivant? En d’autres termes, sont-ce les mesures, les observations qui décident de la réalité des choses? Alors, si les humains n’existaient pas, le monde n’existerait pas non plus!
Certains physiciens (une petite minorité) ont répondu oui à cette question épineuse en suggérant des solutions bizarres.
La première a été soutenue par un prix Nobel de physique, Eugène Wigner. En gros, ce ne serait pas l’appareil de mesure, mais la conscience de l’observateur qui « déciderait » finalement si le chat est mort ou vivant. En regardant par le hublot, l’oeil (dans ce cas, c’est lui l’appareil de mesure) se met dans une superposition d’états:
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-D’un côté, un état A : « uranium désintégré, détecteur excité, marteau baissé, fiole cassée, chat mort » .
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-De l’autre, un état B : « uranium intact, détecteur non excité, marteau levé, fiole entière, chat vivant ».
Le nerf optique achemine au cerveau une onde qui est aussi dans une superposition des états A et B, et les cellules réceptrices du cerveau suivent le mouvement. C’est alors que la conscience, brutalement, fait cesser le double jeu, obligeant la situation à passer dans l’état A ou dans l’état B (mais attention: rien ne nous dit POURQUOI ce serait A ou B). Comment?
Ça, Wigner ne le dit pas. Mais les conséquences de sa position sont hallucinantes: rien n’existe vraiment en dehors de ce que perçoit notre conscience!
Affinons l’expérience. Une caméra filme l’intérieur de la boite; elle transmet les images à un ordinateur qui analyse les formes, reconnait si le chat est immobile (= mort) ou actif (= vivant) ; il en déduit si l’animal est dans l’état A ou dans l’état B. Puis il transmet l’information à une imprimante. Sans regarder ce qui est imprimé, l’observateur place le verdict dans une enveloppe … qu’il ouvre un an plus tard .
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-Sa conscience interviendrait alors pour trancher entre A et B. Si l’on suit Wigner, il faudrait imaginer qu’un mystérieux signal émis par la conscience remonte le temps et vienne provoquer, un an plus tôt, la mort ou la survie du minet!
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-Seconde hypothèse: la conscience n’intervient pas, les deux états A et B se séparent bien lors de la mesure mais rien ne vient trancher entre eux. Résultat: ils survivent dans deux univers parallèles! Le chat est mort dans un univers et vivant dans l’autre ! Notre conscience existe dans l’état A dans le premier univers et dans l’état B dans le second. Comme nous réalisons sans cesse des actes d’observation, cela voudrait dire qu’à chaque fois, nous nous dupliquons. Il y aurait ainsi une infinité d’univers parallèles, sans possibilités de communication entre eux. où nous existerions dans une multitude d’état différents!
LA GRANDE UNIFICATION?
Nous avons vu le monde des particules de matière.
Ce monde n’est qu’une des deux facettes de l’univers qui nous entoure. En effet, tous les phénomènes physiques, chimiques ou biologiques tels que la chute d’une pomme d’un arbre, la lumière émise d’une ampoule électrique; tous ces phénomènes courants ne peuvent exister que parce que le mouvement est possible. Cela paraît évident et pourtant, comment le mouvement de toute chose est-il possible? Il y a toujours à l’origine d’un mouvement une impulsion, une force qui en est la cause … Or les physiciens, dans leur quête d’une vision unifiée du monde, ont réussi le tour de force de réduire à exactement quatre (ou peut-être même moins, nous le verrons à la fin de ce chapitre) le nombre de forces qui sévissent dans le vaste Univers.
Ces 4 forces sont:
-La gravitation qui fait tomber les pommes sur la tête de certains. C’est aussi elle qui attire la Terre et la Lune.
- L’interaction électromagnétique qui assure la cohésion de votre corps et gouverne toute la chimie. C’est elle qui attire l’électron et le noyau atomique.
-L’interaction faible qui est responsable de la radioactivité bêta. L’interaction faible régit les réactions thermonucléaires de notre Soleil et de toutes les étoiles.
-L’interaction forte qui unit les quarks, les constituants élémentaires de la matière, ensembles et donc les noyaux des atomes.
Les physiciens ont un rêve secret: Parvenir à expliquer l’ensemble des phénomènes de l’Univers avec un minimum d’élément: Réduire le nombre des particules (voir la théorie des supercordes) et le nombre des interactions à l’unité. Cene quête est-elle utopique ou réalisable?
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-L’Univers rescelle-t-il un nombre restreint de lois simples, cachées à nos yeux, mais ,accessibles avec notre technologie de plus en plus sophistiquée?
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-Ou l’Univers est-il infiniment complexe, inconnaissable dans son essence, et ne nous livrant que des bribes de connaissances partielles. Nous serions ainsi tel un spectateur ne connaissant le monde que par des ombres chinoises projetées (le mythe platonicien de la caverne, vous connaissez?)
Les scientifiques, d’un optimisme enthousiaste, parient plutôt pour un Univers connaissable dont l’apparente complexité peut, avec un peu de chance, se réduire à quelques lois physiques basiques. Aujourd’hui interactions faible et électromagnétique sont unifiées dans la QED, des propositions sont faites pour unifier le reste (Théorie de la Grande Unification, théorie de Tout ).
Cette évolution vers l’unification des forces peut actuellement se comprendre selon deux approches différentes:
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-l’approche svnthétique: les interactions observables par les physiciens ne seraient que les aspects différents d’une seule et même force originelle (la Superforce!) accessible qu’à de très hautes énergies.
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-l’approche historique: Toutes les interactions étaient unifiées à la naissance du monde (le fameux big bang), mais elles se sont différenciées depuis.
En réalité, ces deux approches ne font qu’une: Pourquoi? Car à l’origine du monde, la densité d’énergie était telle que toutes les interactions étaient effectivement unifiées.
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